專(zhuān)利名稱(chēng)：一種空氣孔正方形排列纖芯環(huán)狀摻雜四芯光子晶體光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種空氣孔正方形排列纖芯環(huán)狀摻雜四芯光子晶體光纖，尤其涉及同時(shí)具有平頂模場(chǎng)、大模式面積和超低限制損耗的光子晶體光纖，屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高功率光纖激光器由于在效率、散熱和光束質(zhì)量等方面的優(yōu)勢(shì)，在エ業(yè)加工、醫(yī)療和國(guó)防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，拉曼散射、布里淵散射以及四波混頻等非線性效應(yīng)限制了高效率光纖激光器輸出功率的進(jìn)ー步提高。非線性效應(yīng)與光強(qiáng)之間有很大關(guān)系，通過(guò)提高光纖的模式面積可以有效的降低光強(qiáng)，進(jìn)而對(duì)非線性效應(yīng)產(chǎn)生抑制作用。光子晶體光纖(PCF)，又被稱(chēng)為微結(jié)構(gòu)光纖或多孔光纖，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活可調(diào)，這使得它具有許多傳統(tǒng)光纖不具備的特性，如高雙折射、超低限制損耗、色散可調(diào)等等。此種光纖的發(fā)明為實(shí)現(xiàn)大模式面積提供了ー種非常有效的辦法。 已有研究證明，對(duì)光子晶體光纖的石英纖芯進(jìn)行摻雜，摻雜Zr02、Ti02、Al203、Ge02、P2O5等材料可以使石英玻璃的折射率増加(高摻雜)，摻雜B203、F等原料可以使石英玻璃的折射率降低(低摻雜)，摻雜后的光纖能夠獲得更大的模式面積，但是目前這種摻雜技術(shù)僅僅局限于單芯光纖，限制了模式面積的進(jìn)ー步提高。如果采用多芯光纖，雖然與單芯光纖相比可以獲得更大的模場(chǎng)面積，但從其每個(gè)纖芯來(lái)看，輸出光束均為傳統(tǒng)的高斯光束，當(dāng)泵浦光功率較大時(shí)，很容易損傷光纖端面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種同時(shí)具有大模場(chǎng)面積、低限制損耗和平頂模式的ー種空氣孔正方形排列纖芯環(huán)狀摻雜四芯光子晶體光纖。本發(fā)明主要是采用四芯光子晶體光纖并對(duì)纖芯進(jìn)行摻雜，同時(shí)又設(shè)計(jì)合理的包層空氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。本發(fā)明的光子晶體光纖的主要結(jié)構(gòu)是由四個(gè)纖芯和光纖包層組成的。其中，光纖包層內(nèi)設(shè)有均勻的多層正方形陣列分布的空氣孔，空氣孔直徑d=4i!m，兩孔間距A =10 u m。由四組缺失3, 3個(gè)空氣孔的單元構(gòu)成纖芯，四個(gè)纖芯對(duì)稱(chēng)地分布在空氣孔方陣即四個(gè)象限的對(duì)角線上。其中，每個(gè)纖芯由純石英內(nèi)芯和折射率高的摻雜環(huán)形區(qū)域組成，其中石英內(nèi)芯的半徑ra在6 10 ii m范圍。而包在內(nèi)芯外面的高摻雜環(huán)形區(qū)域是在石英內(nèi)摻雜了增加折射率的氧化物一二氧化鍺，并且摻雜的摩爾百分?jǐn)?shù)為4. 119T4. 38%，使折射率(在I. 4502 I. 4506范圍內(nèi))略高于石英內(nèi)芯的折射率(I. 45)。該高摻雜環(huán)形區(qū)域的外環(huán)半徑rb=18 u m,于是高摻雜環(huán)形區(qū)域圓環(huán)厚度為其外環(huán)半徑rb與內(nèi)環(huán)半徑ra的差，即rb-ra,控制在8 12iim范圍內(nèi)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)
I、與單芯光纖相比四芯光子晶體光纖能夠有效增大模式面積，能夠承受更強(qiáng)的泵浦光，從而有效降低非線性效應(yīng)的影響，大大提高光纖傳輸激光功率的閾值。
2、多層氣孔正方形排列形成包層使得限制損耗很低，超低的限制損耗減少了傳輸過(guò)程中的能量損失,可以傳輸高功率。3、由于對(duì)四個(gè)纖芯的環(huán)形區(qū)域進(jìn)行了増大折射率的高摻雜，使得纖芯中環(huán)形區(qū)域的折射率高于內(nèi)芯折射率，因此從此種光纖中輸出的光束不再呈高斯?fàn)睿瞧巾敔罘植?，即輸出光束為能量均勻分布的平頂模?chǎng)，具有較低的峰值功率，大大提高了光纖的熱損傷閾值，同時(shí)這種摻雜也可以使光纖獲得更大的模式面積。4、由純石英內(nèi)芯和高摻雜環(huán)形區(qū)域組成的纖芯使得這種光纖的有效模式面積隨波長(zhǎng)的增大而減小，而傳統(tǒng)光纖或者光子晶體光纖的有效模式面積隨波長(zhǎng)的增大而増大。這也是本發(fā)明的ー個(gè)獨(dú)特之處。



圖I是本發(fā)明實(shí)施例I的光子晶體光纖橫截面圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例I的光子晶體光纖模場(chǎng)分布圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例I光子晶體光纖的有效模式面積和限制損耗隨波長(zhǎng)變化關(guān)系圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例2光子晶體光纖的有效模式面積和限制損耗隨波長(zhǎng)變化關(guān)系圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例3光子晶體光纖的有效模式面積和限制損耗隨波長(zhǎng)變化關(guān)系圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例4光子晶體光纖的有效模式面積和限制損耗隨波長(zhǎng)變化關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I
在圖I所示的本發(fā)明實(shí)施例I的光子晶體光纖橫截面圖中，該光纖主要是由纖芯和光纖包層組成的。其中，光纖包層I內(nèi)有1343-3H=133個(gè)均勻的正方形陣列的空氣孔2，空氣孔直徑d=4iim，兩孔間距A=10iim。四組缺失:T 3個(gè)空氣孔的單元構(gòu)成纖芯，四個(gè)纖芯對(duì)稱(chēng)地分布在四個(gè)象限的對(duì)角線上。每個(gè)纖芯包括有內(nèi)芯3和摻雜的環(huán)形區(qū)域4，其中內(nèi)芯為石英材質(zhì)，其半徑ra=6 y m，而包在內(nèi)芯外面的高摻雜環(huán)形區(qū)域?yàn)槭⒒鶕诫s了摩爾百分比為4. 25%的ニ氧化鍺，使其折射率為I. 4504，略高于石英內(nèi)芯的折射率I. 45。上述高摻雜環(huán)形區(qū)域的厚度為其外環(huán)半徑rb (為18iim)與內(nèi)環(huán)半徑ra的差,；rb-ra=18_6=12 y m。在圖2所示的本發(fā)明實(shí)施例I的光纖在I. 55 ym處的模場(chǎng)分布圖中，從圖中可以看出，各個(gè)纖芯輸出的激光能量相同，并且在纖芯區(qū)域均勻分布，形成平頂模場(chǎng)。在圖3所示的本發(fā)明實(shí)施例I光纖的有效模式面積和限制損耗隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系圖中，該光纖的有效模式面積在2900 Um2以上，屬于大模式面積光纖，并且隨著波長(zhǎng)的增大其有效模式面積減小，在光通信的低損耗傳輸窗ロ入=1. 55 y m處,其有效模式面積為3107 iim2。在整個(gè)計(jì)算波長(zhǎng)范圍內(nèi)，該光纖的限制損耗都極低。在傳輸窗ロ入=I. 55 Um處，它的限制損耗為9. 71/10_6 dB/km。實(shí)施例2本發(fā)明實(shí)施例2與實(shí)施例I基本相同，不同之處在于摻雜ニ氧化鍺的摩爾百分比減小到4. 11% (對(duì)應(yīng)折射率I. 4502)，其有效模式面積和限制損耗隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出，該光纖與實(shí)施例I光纖相比，獲得了較小的有效模式面積和更高的限制損耗。在入=I. 55 ym處，其有效模式面積為2934 iim2，限制損耗為1.42,10-4 dB/km。實(shí)施例3
本發(fā)明實(shí)施例3與實(shí)施例I基本相同，不同之處在于摻雜ニ氧化鍺的摩爾百分比增加到4. 38%(對(duì)應(yīng)折射率I. 4506)，其有效模式面積和限制損耗隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系如圖5所示。從圖中可以看出，該光纖與第一實(shí)施例光纖相比獲得了更大的有效模式面積和更低的限制損耗。在入=I. 55 um處，其有效模式面積為3244 u m2，限制損耗為I. 32,10_6 dB/km。實(shí)施例4 本發(fā)明實(shí)施例4與實(shí)施例I基本相同，不同之處在于內(nèi)纖芯半徑ra増加到10 u m,則摻雜圓環(huán)部分的厚度rb-ra=18-10=8i!m，其有效模式面積和限制損耗隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系如圖6所示。從圖中可以看出，該光纖與實(shí)施例I光纖相比，獲得了更大的有效模式面積，但是限制損耗也有所增加。在入=1. 55 U m處，其有效模式面積為3395 u m2，限制損耗為I. 02,10_4dB/km。
權(quán)利要求
1.一種空氣孔正方形排列纖芯環(huán)狀摻雜四芯光子晶體光纖，它是由纖芯和光纖包層組成的，其特征在于光纖包層內(nèi)設(shè)有均勻的多層正方形陣列分布空氣孔，空氣孔直徑d=4 μ m,兩孔間距Λ =10 μ m,由四組缺失3' 3個(gè)空氣孔的單元構(gòu)成纖芯，四個(gè)纖芯對(duì)稱(chēng)地分布在四個(gè)象限的對(duì)角線上，每個(gè)纖芯由純石英內(nèi)芯和折射率高的摻雜環(huán)形區(qū)域組成，其中石英內(nèi)芯的半徑1'￡1在6"10 μ m,高摻雜的環(huán)形區(qū)域的外半徑rb=18 μ m,摻雜區(qū)域圓環(huán)的厚度即rb_ra控制在8 12 μ m內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種空氣孔正方形排列纖芯環(huán)狀摻雜四芯光子晶體光纖，其特征在于包在內(nèi)芯外面的高摻雜環(huán)狀區(qū)域是由石英內(nèi)摻雜二氧化鍺形成，摻雜的摩爾百分?jǐn)?shù)控制在4. 119Γ4. 38%，相應(yīng)的使其折射率控制在I. 4502 I. 4506的范圍內(nèi)，略高于石英內(nèi)芯的折射率1.45。
全文摘要
一種空氣孔正方形排列纖芯環(huán)狀摻雜四芯光子晶體光纖，它由光纖包層和纖芯組成的。光纖包層由多層空氣孔正方形陣列分布形成；四組缺失空氣孔的單元構(gòu)成纖芯，四個(gè)纖芯對(duì)稱(chēng)地分布在四個(gè)象限的對(duì)角線上。上述纖芯由內(nèi)芯和摻雜型環(huán)狀區(qū)域組成，其中內(nèi)芯與光纖包層同為石英材質(zhì)，而包在內(nèi)芯外面的摻雜環(huán)狀區(qū)域?yàn)槭?nèi)摻雜了增加折射率的氧化物，使其折射率略高于纖芯的折射率。本發(fā)明所采用的纖芯環(huán)狀摻雜四芯結(jié)構(gòu)可以有效地增大模式面積同時(shí)降低非線性效應(yīng)，纖芯環(huán)狀摻雜可以形成平頂模場(chǎng)，有效降低光纖的熱損傷效應(yīng)，多層空氣孔正方形陣列分布形成包層可以實(shí)現(xiàn)超低限制損耗，極大地減少傳輸過(guò)程中的能量損失。
文檔編號(hào)G02B6/02GK102819062SQ201210268078
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者李曙光, 張曉霞 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)